Οι σύνθετες κυτταρικές και φυσιολογικές διεργασίες στα έμβια όντα απαιτούν λεπτομερή ρύθμιση σε μοριακό επίπεδο προκειμένου να διασφαλιστεί η προσαρμοστικότητα ενός ζώου ή ενός φυτού, για παράδειγμα, στο βιότοπο. Για το σκοπό αυτό, υπάρχουν πολλά μόρια που παρεμβαίνουν σε διαδικασίες όπως η επικοινωνία των κυττάρων, ο μεταβολισμός ή η κυτταρική διαίρεση. Ένα από αυτά τα μόρια είναι πρωτεΐνη Καλμοδουλίνητο οποίο, με τη βοήθεια του ασβεστίου, επηρεάζει τη λειτουργία πολλών άλλων βιολογικά ενεργών πρωτεϊνών.
Τι είναι η καλμοδουλίνη;
Η καλμοδουλίνη είναι μια ενδοκυτταρική ρυθμιστική πρωτεΐνη που δεσμεύει τα ιόντα ασβεστίου. Λόγω της δομής του, ανήκει στην ομάδα των πρωτεϊνών EF-hand. Το σχήμα της καλμοδουλίνης, το οποίο αποτελείται από 148 αμινοξέα και έχει μήκος 6,5 nm, μοιάζει με αλτήρα. Η μοριακή μάζα αυτού του μορίου πρωτεΐνης είναι περίπου 17 kDa.
Λόγω της βιολογικής λειτουργίας του στη μετάδοση σήματος εντός των κυττάρων, η καλμοδουλίνη μπορεί επίσης να ταξινομηθεί ως δεύτερος αγγελιοφόρος, δηλαδή δευτερογενής αγγελιοφόρος ουσία η οποία, ωστόσο, δεν είναι η ίδια ενζυματικά ενεργή. Στις δύο σφαιρικές περιοχές της πρωτεΐνης υπάρχουν δύο μοτίβα ελικοειδούς βρόχου-έλικα σε απόσταση 1,1 nm, στα οποία μπορούν να συνδεθούν συνολικά τέσσερα ιόντα ασβεστίου. Αυτή η δομή είναι γνωστή ως το χέρι EF. Οι δομές EF-χεριών συνδέονται με δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των αντιπαράλληλων βήτα φύλλων της καλμοδουλίνης.
Λειτουργία, εφέ & εργασίες
Η καλμοδουλίνη χρειάζεται τρία έως τέσσερα δεσμευμένα ιόντα ασβεστίου ανά μόριο για να είναι ενεργή. Στην ενεργοποιημένη κατάσταση, το σύμπλοκο ασβεστίου-καλμοδουλίνης που σχηματίζεται εμπλέκεται στη ρύθμιση μεγάλου αριθμού υποδοχέων, ενζύμων και καναλιών ιόντων με μεγάλη ποικιλία λειτουργιών. Τα ρυθμιζόμενα ένζυμα περιλαμβάνουν τη φωσφατάση καλσινευρίνη, η οποία παίζει σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση της ανοσοαπόκρισης και τη συνθάση του ενδοθηλιακού νιτρικού οξειδίου (eNOS), η οποία παράγει ΝΟ, η οποία μεταξύ άλλων χρησιμοποιείται για τη χαλάρωση των λείων μυών και συνεπώς για την επέκταση του Αιμοφόρα αγγεία.
Σε χαμηλές συγκεντρώσεις ασβεστίου, η αδενυλική κυκλάση (AC) ενεργοποιείται επίσης, σε υψηλές συγκεντρώσεις ασβεστίου, από την άλλη πλευρά, το ενζυματικό αντίστοιχο, φωσφοδιεστεράση (PDE). Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται μια χρονολογική ακολουθία των ρυθμιστικών μηχανισμών: αρχικά το AC θέτει μια διαδρομή σήματος σε κίνηση μέσω της παραγωγής κυκλικού AMP (cAMP), αργότερα αυτό απενεργοποιείται ξανά από τον αντίπαλο PDE μέσω αποικοδόμησης cAMP. Ωστόσο, η ρυθμιστική επίδραση της καλμοδουλίνης στις πρωτεϊνικές κινάσες όπως η CaM κινάση II ή η ελαφρά αλυσίδα κινάσης μυοσίνης (MLCK), η οποία θα εξηγηθεί με περισσότερες λεπτομέρειες παρακάτω, είναι ιδιαίτερα γνωστή.
Το CAMKII μπορεί να δεσμεύσει ένα υπόλειμμα φωσφορικών σε διάφορες πρωτεΐνες και επομένως να επηρεάσει τον ενεργειακό μεταβολισμό, τη διαπερατότητα των ιόντων και την απελευθέρωση νευροδιαβιβαστών από τα κύτταρα. Το CAMKII βρίσκεται σε ιδιαίτερα υψηλές συγκεντρώσεις στον εγκέφαλο, όπου παίζει σημαντικό ρόλο στη νευρωνική πλαστικότητα, δηλ. όλες τις μαθησιακές διαδικασίες. Αλλά η καλμοδουλίνη είναι επίσης απαραίτητη για διαδικασίες κίνησης Σε ηρεμία, η συγκέντρωση ιόντων ασβεστίου σε ένα μυϊκό κύτταρο είναι πολύ χαμηλή και συνεπώς η καλμοδουλίνη είναι ανενεργή. Εάν το μυϊκό κύτταρο είναι ενθουσιασμένο, το ασβέστιο ρέει στο πλάσμα των κυττάρων και, ως συμπαράγοντας, καταλαμβάνει τις τέσσερις θέσεις δέσμευσης της καλμοδουλίνης.
Αυτό μπορεί τώρα να ενεργοποιήσει την κινάση ελαφράς αλυσίδας μυοσίνης, η οποία μετατοπίζει τις συστολικές ίνες στο κύτταρο και έτσι επιτρέπει τη συστολή των μυών. Άλλα, λιγότερο γνωστά ένζυμα που βρίσκονται υπό την επίδραση της καλμοδουλίνης είναι η γουανυλική κυκλάση, η Ca-Mg-ATPase και η φωσφολιπάση Α2.
Εκπαίδευση, εμφάνιση, ιδιότητες και βέλτιστες τιμές
Η καλμοδουλίνη εμφανίζεται σε όλα τα ευκαρυωτικά, τα οποία περιλαμβάνουν όλα τα φυτά, τα ζώα, τους μύκητες και την ομάδα των αμοβιοειδών πλασμάτων. Δεδομένου ότι το μόριο της καλμοδουλίνης σε αυτούς τους οργανισμούς είναι συνήθως δομημένο με σχετικά παρόμοιο τρόπο, μπορεί να υποτεθεί ότι είναι μια εξελικτικά πολύ παλιά πρωτεΐνη που προήλθε σε πρώιμο στάδιο.
Κατά κανόνα, η καλμοδουλίνη υπάρχει σε σχετικά μεγάλες ποσότητες στο πλάσμα ενός κυττάρου. Στο κυτοσόλιο των νευρικών κυττάρων, για παράδειγμα, η συνήθης συγκέντρωση είναι περίπου 30-50 μΜ, δηλ. 0,03-0,05 mol / Λ. Η πρωτεΐνη σχηματίζεται κατά τη διάρκεια της μεταγραφής και της μετάφρασης χρησιμοποιώντας το γονίδιο CALM, από τα οποία υπάρχουν μέχρι σήμερα γνωστά τρία αλληλόμορφα, τα οποία αναφέρονται ως CALM-1, CALM-2 και CALM-3.
Ασθένειες & Διαταραχές
Υπάρχουν ορισμένες χημικές ουσίες που μπορούν να έχουν ανασταλτική επίδραση στην καλμοδουλίνη και επομένως είναι γνωστές ως αναστολείς της καλμοδουλίνης. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η ανασταλτική τους επίδραση βασίζεται στο γεγονός ότι μεταφέρουν ασβέστιο από το κύτταρο και έτσι το απομακρύνουν από την καλμοδουλίνη, η οποία τότε υπάρχει μόνο στην ανενεργή κατάσταση.
Αυτές οι ανασταλτικές ουσίες περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, W-7. Επιπλέον, ορισμένα ψυχοτρόπα φάρμακα φαινοθειαζίνης αναστέλλουν την καλμοδουλίνη. Όσο ευρείες είναι οι ρυθμιστικές λειτουργίες της καλμοδουλίνης, τόσο διαφορετικές είναι οι πιθανές ανωμαλίες και διαταραχές όταν η πρωτεΐνη δεν μπορεί πλέον να ενεργοποιηθεί από το ασβέστιο συμπαράγοντα και τα ρυθμιζόμενα ένζυμα-στόχοι είναι τα ίδια λιγότερο δραστικά. Η ανεπαρκής ενεργοποίηση του CAMKII, για παράδειγμα, μπορεί να οδηγήσει σε περιορισμό της νευρικής πλαστικότητας, που αποτελεί τη βάση για μαθησιακές διαδικασίες.
Η μείωση της ενεργοποίησης του MLCK εμποδίζει τη συστολή των μυών, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε διαταραχές της κίνησης. Λιγότερη ενεργοποίηση του ενζύμου καλσινευρίνη λόγω ανεπάρκειας της καλμοδουλίνης θα επηρέαζε την ανοσοαπόκριση του σώματος και λιγότερη ενεργοποίηση των eNOs θα οδηγούσε σε χαμηλότερες συγκεντρώσεις ΝΟ. Το τελευταίο προκαλεί κυρίως προβλήματα όπου διαφορετικά το νιτρικό οξείδιο υποτίθεται ότι εμποδίζει την ανεπιθύμητη πήξη του αίματος και διαστέλλει τα αγγεία με σκοπό την καλύτερη κυκλοφορία του αίματος. Ωστόσο, θα πρέπει επίσης να αναφερθεί σε αυτό το σημείο ότι ο αισθητήρας ασβεστίου Frequenin μπορεί να αναλάβει τις βιολογικές λειτουργίες της καλμοδουλίνης υπό ορισμένες συνθήκες και έτσι να αντικαταστήσει το μόριο.
